周航

【摘要】空中交通管理是保障整個(gè)航空運(yùn)輸系統(tǒng)安全高效和有序運(yùn)行的中樞，也是一個(gè)集電子、計(jì)算機(jī)和信息化技術(shù)以及人員等因素為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。鑒于未來(lái)空域容量的大幅增長(zhǎng)以及復(fù)雜程度的不斷提高，歐盟（EU）和北美政府機(jī)構(gòu)為2025年的空域構(gòu)想了一種新型空中交通管理（ATM）系統(tǒng)，它能自主保持與周圍交通以及其他沖突區(qū)域內(nèi)飛機(jī)的間距。本文將對(duì)未來(lái)環(huán)境以及飛機(jī)先進(jìn)航電裝備進(jìn)行討論，機(jī)載自主式間距保障支持系統(tǒng)要對(duì)誤差進(jìn)行處理，以及我們會(huì)采取哪些舉措以化解潛在的安全威脅，從而確保在高密度交通需求下能進(jìn)行安全的機(jī)載自主式間距保障操作。

【關(guān)鍵詞】空中交通管理，空域安全，沖突規(guī)避

1 空中交通管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

歐盟和美國(guó)正致力研發(fā)先進(jìn)的操作理念以支持未來(lái)高密度空域下安全的空中交通管理（ATM），這些發(fā)展需要通信、導(dǎo)航和監(jiān)視（CNS）技術(shù)的進(jìn)步作為支撐。為了建設(shè)更加安全高效的空管系統(tǒng)，美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)（NAS）計(jì)劃提出要加強(qiáng)地空數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航和綜合監(jiān)視等新航行系統(tǒng)技術(shù);聯(lián)邦航空局（FAA）于2002年發(fā)布了國(guó)家空域系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展計(jì)劃（OEP），希望在確保飛行安全的同時(shí)還能增加空域容量，并提高空域的使用率，從而滿足大幅增長(zhǎng)的航空運(yùn)輸需求。FAA于2005年開始規(guī)劃新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)希望在美國(guó)國(guó)內(nèi)以及全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更快捷、更有效的航空運(yùn)輸方式，并建立一個(gè)更加智能的空管系統(tǒng)，飛行員在該系統(tǒng)中能充分調(diào)用各種先進(jìn)技術(shù)，極大地提高態(tài)勢(shì)感知能力，從而為飛機(jī)選取最佳的飛行路徑。

單一歐洲天空空中交通管理研究項(xiàng)目（SESAR）和新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)（NextGen）打算在2020年具備基于航跡的ATM，并將間距管理任務(wù)由空中交通管制員轉(zhuǎn)移給機(jī)組人員?；诤桔E的操作會(huì)通過(guò)飛機(jī)當(dāng)前和今后位置的四維信息（緯度、經(jīng)度、高度和時(shí)間）對(duì)飛行進(jìn)行管理。如今，管理預(yù)期交通容量增長(zhǎng)的主要限制是由空中交通管制員引入到?jīng)Q策制定流程中的，為了克服該限制，早在十年前就提出了機(jī)載自主式間距保障的理念，取名為“自由飛行”（Free Flight），旨在將所有的間距管理任務(wù)都轉(zhuǎn)交給飛行員。ATM研究領(lǐng)域一直分成樂(lè)觀派和謹(jǐn)慎派兩個(gè)派系，樂(lè)觀派認(rèn)為機(jī)載自主式間距保障即使在高負(fù)荷航線交通需求下也很安全，有人駕駛的實(shí)時(shí)仿真結(jié)果表明，飛行員能理解機(jī)載自主式間距保障的操作理念并且可在高負(fù)荷交通需求情況下良好的工作，這就是最佳佐證;而謹(jǐn)慎派則認(rèn)為盡管機(jī)載自主式間距保障在低負(fù)荷航線交通需求下是安全的，但在繁忙空域中的高負(fù)荷交通需求下并不安全。事實(shí)上，這兩派的意見(jiàn)分歧其實(shí)就是機(jī)載自主式間距保障操作在何種交通需求水平下是安全可靠的。

2 防止最低間距標(biāo)準(zhǔn)的損失

自主式間距保障的飛機(jī)通過(guò)自動(dòng)飛行規(guī)則（AFR）負(fù)責(zé)從其他的飛機(jī)中隔離出來(lái)，期望它能反映當(dāng)前國(guó)際民航組織（ICAO）附件2的儀表飛行規(guī)則，并考慮將間距保障任務(wù)從地基ATC轉(zhuǎn)移到機(jī)載方面。設(shè)計(jì)未來(lái)ATM的關(guān)鍵因素就是要具有防止飛機(jī)間出現(xiàn)最低間距標(biāo)準(zhǔn)損失的理念。在傳統(tǒng)雷達(dá)控制的航路空域中，空中交管員首先要確保所有航班都符合安全間距的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。如今的ICAO條例規(guī)定在現(xiàn)代雷達(dá)控制的航路空域中，兩架飛機(jī)必須保持水平間距為5海里或是垂直間距為1000英尺。近期，歐洲委員會(huì)的RESET項(xiàng)目希望在未來(lái)繁忙的航路空域中將水平間隔從5海里縮減至3海里，這些縮減的間隔最低標(biāo)準(zhǔn)是否適用于機(jī)載自分離操作仍需在iFly項(xiàng)目中進(jìn)行評(píng)估。

最低間距標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)不可入侵的受保護(hù)空域或警戒區(qū)（AZ）進(jìn)行測(cè)算，當(dāng)（即將）入侵時(shí)就會(huì)觸發(fā)飛行員的干預(yù)。隨著飛機(jī)導(dǎo)航和監(jiān)視能力的提升，PAZ和警戒區(qū)的大小也會(huì)隨之改變，而且依靠ATC進(jìn)行間距管理的任務(wù)也會(huì)委托給機(jī)上的自動(dòng)化系統(tǒng)。

3 機(jī)載自主式間距保障決策輔助

先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障的理念與增強(qiáng)型機(jī)載自動(dòng)化和決策輔助緊密相關(guān)，可以提高飛行員的態(tài)勢(shì)感知能力以及飛機(jī)規(guī)避沖突的能力。進(jìn)行自主飛行操作的AFR將有若干輔助系統(tǒng)可使其維持最低間距標(biāo)準(zhǔn)，并且安全化解危機(jī)。所設(shè)計(jì)的決策輔助系統(tǒng)要在飛機(jī)可能會(huì)破壞間距標(biāo)準(zhǔn)時(shí)提供有效的支持，這就是通常所說(shuō)的安全網(wǎng)（Safety Nets）。

當(dāng)飛機(jī)可能會(huì)進(jìn)入限制空域（RAA）、氣象危險(xiǎn)區(qū)（WHA）、地形/障礙限制區(qū)或是其他飛機(jī)PAZ時(shí)，機(jī)上設(shè)備必須評(píng)估、探測(cè)并解決潛在的沖突，該功能將由空中間距保障系統(tǒng)（ASAS）提供。供飛行員使用的機(jī)載自主式間距保障決策輔助系統(tǒng)考慮了所有可用的周邊交通和環(huán)境信息資源，并且顧及多種飛行中時(shí)間相對(duì)沖突/危險(xiǎn)的范圍。由于飛機(jī)會(huì)在這些時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)潛在沖突進(jìn)行計(jì)算，因此可以使用一個(gè)或多個(gè)沖突探測(cè)和解決（CD&R）應(yīng)用程序以確保安全的飛行航跡。

三個(gè)獨(dú)立的CD&R應(yīng)用程序會(huì)處理三種級(jí)別的交通/危險(xiǎn)信息，這種分級(jí)式方法旨在確保在更短的時(shí)間與沖突范圍內(nèi)通過(guò)互補(bǔ)CD&R方法進(jìn)行處理。長(zhǎng)期航跡管理和中期以及短期CD&R輸出信息會(huì)在一個(gè)綜合模塊中進(jìn)行收集和處理，從而為飛行員選擇并優(yōu)化合適的備選方案。飛機(jī)位置誤差會(huì)影響CD&R算法的有效性，它取決于對(duì)該飛機(jī)之后10至20分鐘內(nèi)飛過(guò)飛機(jī)位置的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。間距和航跡管理工具的性能直接取決于預(yù)測(cè)航跡的精確度，誤差會(huì)影響用于探測(cè)和規(guī)避沖突的警戒區(qū)大小，并會(huì)降低預(yù)測(cè)信息的可用性。

ERASMUS項(xiàng)目展開的研究指出，誤差或?qū)︼L(fēng)向的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)以及溫度數(shù)據(jù)是影響空中航跡預(yù)測(cè)的主要因素。機(jī)上CD&R算法將會(huì)利用自身預(yù)測(cè)的航跡以及周圍飛機(jī)廣播的航跡標(biāo)識(shí)出可能會(huì)侵入飛機(jī)警戒區(qū)或是保護(hù)區(qū)的區(qū)域，并且計(jì)算出飛機(jī)規(guī)避沖突區(qū)的方案，從而選擇最佳路徑離開沖突區(qū)。飛機(jī)投射路徑周圍大氣數(shù)據(jù)的誤差可能會(huì)在變換飛行高度層時(shí)對(duì)航跡沿線產(chǎn)生影響，因此需要CD&R算法能處理由風(fēng)向引起的偏差。除了機(jī)載自主式間距保障CD&R系統(tǒng)以外，還有一個(gè)以機(jī)載防撞系統(tǒng)（ACAS）形式存在的安全網(wǎng)，當(dāng)前的強(qiáng)制系統(tǒng)或是能從一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)視源接收周圍飛機(jī)位置信息的未來(lái)先進(jìn)型，這就確保了ACAS是用于防撞的單獨(dú)安全網(wǎng)。

4 確保機(jī)載自主式間距保障操作的技術(shù)系統(tǒng)

這種先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障操作理念的關(guān)鍵因素就是一個(gè)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)和信息分享系統(tǒng)（廣域系統(tǒng)信息管理——SWIM）。在NEXTGEN中，飛機(jī)需要頻繁與地面管制中心交換數(shù)據(jù)，而且地面的各種設(shè)備/系統(tǒng)之間也會(huì)頻繁交換數(shù)據(jù)，因此，所有設(shè)備都要遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，即SWIM。AFR飛機(jī)需要接收所有周圍交通和障礙物的相關(guān)信息，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，飛機(jī)就需要具有ADS-B OUT技術(shù)，能夠周期性地向周圍交通對(duì)其位置、速度和意圖信息進(jìn)行廣播。SWIM提供最新的“承索”（自動(dòng)的）監(jiān)視信息，如周圍交通、當(dāng)前氣象情況等。在ATM系統(tǒng)中，有效地規(guī)劃和決策需要實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)作，SWIM實(shí)現(xiàn)了各用戶之間的協(xié)同工作能力，也為空管信息的共享提供了一個(gè)開放、靈活和安全的信息管理體系，并且增強(qiáng)了公共態(tài)勢(shì)感知功能，提高了空管系統(tǒng)的靈活性，保證了信息能及時(shí)可靠地傳送到用戶。SWIM是一個(gè)應(yīng)用集成策略而非框架，它為應(yīng)用組件之間的通信和信息共享提供了必需的功能。盡管SWIM的目標(biāo)是信息管理，但是其核心卻是一個(gè)確保授權(quán)的應(yīng)用和服務(wù)之間進(jìn)行可靠安全的數(shù)據(jù)共享框架。

對(duì)先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障而言，還需要飛機(jī)具備額外的ADS-B IN能力，能持續(xù)性接收在ADS-B范圍內(nèi)附近飛機(jī)的位置、速度和意圖信息。有關(guān)飛機(jī)航跡信息的空-空交換，以及當(dāng)?shù)靥峁庀笮畔⒑臀槽E渦流都能增強(qiáng)飛機(jī)間距的精度并且提高航班的安全性。

機(jī)載設(shè)備會(huì)向機(jī)組人員提供后續(xù)操作的建議，飛行員指揮會(huì)決定并切實(shí)執(zhí)行這些操作策略（通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)駕駛儀或是FMS來(lái)實(shí)現(xiàn)）。要想讓這種新型的機(jī)組任務(wù)切實(shí)可行，就需要一個(gè)非常有效并且易于理解的人機(jī)界面（HMI）。盡管通過(guò)在VHF無(wú)線電上通過(guò)監(jiān)視駕駛員-ATC通信，飛行員在頭腦中對(duì)周圍環(huán)境有了整體印象，但機(jī)組人員仍需駕駛艙交通信息顯示在AFR操作期間對(duì)交通情況進(jìn)行監(jiān)控。為了向飛行員提供指引，CDTI需要顯示有關(guān)交通、氣象、簡(jiǎn)化航跡等信息。歸根結(jié)底，CDTI就是要告知機(jī)組人員有關(guān)飛機(jī)周圍的情況，并協(xié)助他們處理可能會(huì)出現(xiàn)的沖突。今后，多用途駕駛艙交通信息顯示（MPCDTI）可用于NextGen環(huán)境，它將諸多核心功能以多種方式結(jié)合起來(lái)，執(zhí)行ADS-B應(yīng)用。

5 將安全性融合到先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障設(shè)計(jì)中

先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障設(shè)計(jì)本身就有其新穎性，對(duì)安全威脅的分析和緩解構(gòu)成了iFly項(xiàng)目的關(guān)鍵因素。需要正確處理的安全威脅諸如機(jī)載自動(dòng)化設(shè)備、飛機(jī)位置誤差、退化的機(jī)載系統(tǒng)性能及可靠性、飛行員對(duì)交通情況態(tài)勢(shì)感知的缺失、難以處理的交通復(fù)雜度以及通信、導(dǎo)航和監(jiān)視的故障和/或退化。為了能控制多方面潛在的安全威脅，iFly項(xiàng)目基于設(shè)計(jì)方法給出了三種互補(bǔ)的安全性：

（1）利用TOPAZ方法進(jìn)行整體的危險(xiǎn)分析和事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;

（2）根據(jù)ED78A方法的系統(tǒng)安全性工程;

（3）利用混合自動(dòng)化臨界可觀察性分析的形式驗(yàn)證。

這些事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)安全性工程和驗(yàn)證方法就是為了明確先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障操作理念所需的技術(shù)系統(tǒng)能力和交通需求。

6 基于TOPAZ的事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

已經(jīng)明確TOPAZ事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是iFly項(xiàng)目的合理化選擇，該方法是要對(duì)先進(jìn)型ATM設(shè)計(jì)的事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行建模，從而為設(shè)計(jì)者提供有效的反饋信息。TOPAZ的目標(biāo)有：

（1）明確與先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障設(shè)計(jì)隨之而來(lái)或是由其產(chǎn)生的各種潛在安全危險(xiǎn);

（2）對(duì)整體事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估;

（3）將所評(píng)估的整體風(fēng)險(xiǎn)水平與未來(lái)空中交通所能接受的最大風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行比較，從而明確先進(jìn)機(jī)載自主式間距保障的理念在哪種交通需求水平下是安全的;

（4）判別哪些危險(xiǎn)或是危險(xiǎn)組合構(gòu)成了最大的安全威脅，它們是開發(fā)化解安全風(fēng)險(xiǎn)方法的關(guān)鍵因素。

在隨機(jī)混合模型開發(fā)的后續(xù)步驟中，還需要解決所有組織、環(huán)境、人為相關(guān)以及其他危險(xiǎn)的安全問(wèn)題。先進(jìn)空中交通管理公認(rèn)是最復(fù)雜的分布式安全關(guān)鍵系統(tǒng)，盡管ACAS/TCAS（機(jī)載防撞系統(tǒng)）通常不包含在沖突風(fēng)險(xiǎn)研究?jī)?nèi)，iFly安全性評(píng)估會(huì)明確融合ACAS/TCAS，從而獲取ACAS/TCAS與ASAS交互的寶貴看法。

7結(jié)論

為了讓機(jī)載自主式間距保障成為繁忙空域的可行方案，對(duì)先進(jìn)空中交通管理等復(fù)雜分布式安全關(guān)鍵系統(tǒng)的安全性分析必不可少。基于蒙特卡羅的安全性分析可為復(fù)雜ATM系統(tǒng)自主飛機(jī)操作有關(guān)安全的行為提供有參考。通過(guò)互為補(bǔ)充的系統(tǒng)安全性工程化方法，可采取恰當(dāng)?shù)幕夥椒▽⒅饕陌踩ｋU(xiǎn)標(biāo)識(shí)出來(lái)。我們關(guān)注非正規(guī)事件、人為因素以及對(duì)機(jī)載自主式間距保障飛行操作安全性技術(shù)系統(tǒng)能力的影響，我們希望能證明在所需的技術(shù)系統(tǒng)和偶然性程序前提下，哪種級(jí)別的航路交通需求才是安全可接受的。

從環(huán)保角度看，SESAR可將每架班次的溫室氣體排放量減少4%至10%（因不同機(jī)型而有所差異），此外，SESAR還可以將航空管制的基礎(chǔ)設(shè)施能力整體提高三倍，將航空管制的安全性能提高十倍，并將各個(gè)航空公司所負(fù)擔(dān)的航空交通管制費(fèi)用降低一半。SESAR是歐盟和歐洲空中航行安全組織之間合作的一個(gè)具體展示，目標(biāo)就是要在歐洲裝備效率最高、最可靠和最具競(jìng)爭(zhēng)力的航空管制基礎(chǔ)設(shè)施。SESAR給同樣面臨持續(xù)增長(zhǎng)的空中交通流量和當(dāng)前ATM系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足這種持續(xù)增長(zhǎng)需求的中國(guó)民航以良好的借鑒，具體有以下幾方面：

（1）以性能為核心目標(biāo)，對(duì)于ATM系統(tǒng)定義一個(gè)完整的性能框架，以基于性能的方式進(jìn)行系統(tǒng)得需求分析、概念定義、規(guī)劃和方案設(shè)計(jì);

（2）集合最廣泛的相關(guān)參與者，充分考慮所有相關(guān)者的業(yè)務(wù)邏輯和利益;

（3）將信息共享和分層協(xié)同決策機(jī)制貫穿包括空空、空地在內(nèi)的所有處理流程、計(jì)劃制定和應(yīng)用程序中;

（4）充分考慮系統(tǒng)演化中的人為因素，提前對(duì)人員需求和變化予以評(píng)估，制定良好的培訓(xùn)計(jì)劃;

（5）具有一個(gè)總體的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用基線，指導(dǎo)具體相關(guān)技術(shù)的研究和實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

[1]Safe，Airborne Self-Seperation Operations in Tomorrows Airspace，Rosa Weber，Minneapolis，Minnesota，USA.2009.

[2]Multi-Purpose Cockpit Display of Traffic Information：Overview and Development of Performance Requirements，Hans Stassen，AIAA，2010.

[3]Metron Aviation Team Capabilities NextGen Research and Mission Analysis，Stephanie Fraser，2010.

[4]呂小平. 空中交通管理文集. 航空工業(yè)出版社，2009.